JPWO2008038825A1 - 波浪エネルギ貯留装置およびそれを用いた発電装置 - Google Patents

Abstract

波浪エネルギを発電等に利用するにあたり、波浪エネルギを簡単な装置により低コストで効率よく貯留し、かつそれを随時発電に利用できるようにする。海面に浮く浮上構造体と、その浮上構造体から海中に垂下され、かつ下端に重量物が取付けられた可撓性を有する長尺体と、波浪による海面の昇降に伴なう浮上構造体の上下動のうち、いずれか一方向の動きにより前記長尺体を浮上構造体側に巻上げて重量物の位置を上昇させ、かつその巻上げ上昇位置を保持するための巻上げ保持手段とを有してなり、波浪エネルギを重量物の位置のエネルギとして貯留するようにした。また長尺体の巻上げ保持を解除して重量物を下降させる際の下降運動を回転運動として発電機に伝達し、発電を行なうようにした。

Description

この発明は、波浪による海面の上下動のエネルギを貯留して、随時そのエネルギを利用可能とするための波浪エネルギ貯留装置、およびその貯留装置により貯留されたエネルギを用いて発電するための発電装置に関するものである。

周知のように我国は化石資源に乏しいため、少資源国と言われている。そこで、石油や石炭などの化石資源によらない自然エネルギを利用することが急務とされている。また一方、最近では地球温暖化の防止の要請が強まり、そのためいわゆるクリーンエネルギの活用が強く望まれている。
ところで我国は島国であって周囲が海に取囲まれており、その周囲の海域には、台風の襲来や季節風あるいは発達した低気圧による大波が頻繁に発生するから、我国の周囲の海域にもたらされる波浪のエネルギは莫大な量となっている。そこでこのようなクリーンな自然エネルギの一種である波浪エネルギを回収して活用することが強く望まれている。
このような波浪エネルギを利用する技術としては、従来から種々の方式が提案されており、その代表的なものは、波浪エネルギを空気エネルギとして捕捉して、その空気エネルギにより発電機のタービンを回転させ、発電させる方式があり、この方式を洋上の浮体構造物に適用した例としては、航路標識ブイ用発電機があり、また海岸等の固定構造物として適用した例としては、防波堤を兼ねたケーソン式発電機がある。そのほか、波浪エネルギを直接的に機械的エネルギに変換して発電機のタービンを回転させるようにした方式など、各種の方式が考えられている。
波浪エネルギは、全地球的規模で見ればトータル的には莫大な量となるが、エネルギ密度の点から考えれば、さほど大きなエネルギ密度とは言えず、また局所的に見れば、波浪エネルギはそのエネルギ量の変動が著しく激しいという、根本的な問題がある。そのため波浪エネルギを実際に発電に利用するにあたっては、エネルギ密度の低い波浪エネルギを効率良く捕捉して、効率良く発電させる必要があり、また変換したエネルギを平滑化したりあるいは貯蔵したりする必要がある。
しかしながら、前述のようにエネルギの密度が低い波浪エネルギを効率良く捕捉して効率良く発電させることは、実際上極めて困難であり、また変換したエネルギを平滑化あるいは貯蔵するための装置や設備も、大型化せざるを得ず、そのため発電設備としては、コストが著しく高価になって、経済的に引合わなくなったり、また設備の大型化により、海洋上の浮体構造物に適用することが不適当となったりする問題がある。これらの問題から、従来海洋上の浮体構造物に実際に適用している例としては、前述のように航路標識ブイ用発電機のような小型のものに過ぎないのが実情である。また海岸等の固定構造物としては、前述のように防波堤を兼ねたケーソン式発電機があるが、これも出力の割には構造的に極めて大型化するとともにコストも莫大となり、経済的に引合わない、と言わざるを得なかったのが実情である。
特に従来の波浪エネルギ発電装置では、不安定な発電出力を貯蔵しておくために、蓄電池等の電気エネルギ貯蔵装置を用いざるを得なかったが、このような蓄電池等の電気エネルギ貯蔵装置は、貯蔵可能な電気エネルギの割には著しく大型化して重量が増大し、コストも著しく高くなってしまう。
したがってこれらの理由から、ここ数年は、波浪エネルギによる発電についての研究熱は冷め、同じ自然エネルギである風力発電と比べて、実用化が大幅に立ち遅れているのが現状である。
この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、自然エネルギである波浪エネルギに再び着目し、従来とは全く異なる方法によって、低コストかつ簡単な設備で波浪エネルギを貯留し、また貯留した波浪エネルギを利用した発電を、低コストかつ安定した出力で行ない得るようにした、波浪エネルギ貯留装置および波浪エネルギ利用発電装置を提供することを目的とするものである。

従来の波浪エネルギ発電システムでは、波浪エネルギを空気エネルギや機械的エネルギとして捕捉してこれを直ちに電気エネルギに変換する方式を適用している。しかるにこのような従来のシステムでは、波浪エネルギをそれとは異なる形態のエネルギとして捕捉する（すなわち波浪エネルギを他の形態のエネルギに変換する）ため、エネルギの捕捉効率あるいは変換効率が大きな問題となり、また直ちに電気エネルギに変換するため、エネルギの貯留形態としても電気エネルギの貯留とならざるを得ない。しかるに本発明者は、上述のような従来の方式とは全く異なる方式を考え、波浪による海面の変動を直接的に捕捉し、かつそのエネルギを、重量物の位置エネルギとして貯留するシステムを開発した。このようなシステムによれば、波浪エネルギを効率良く捕捉して貯留することができ、しかもその貯留した位置エネルギを、必要に応じて電気エネルギとして随時出力することが可能となったのである。
具体的には、請求項１の発明の波浪エネルギ貯留装置は、海面に浮く浮上構造体と、その浮上構造体から海中に垂下され、かつ下端に重量物が取付けられた可撓性を有する長尺体と、波浪による海面の昇降に伴なう浮上構造体の上下動のうち、いずれか一方向の動きにより前記長尺体を浮上構造体側に巻上げて重量物の位置を上昇させ、かつその巻上げ上昇位置を保持するための巻上げ保持手段とを有してなり、波浪エネルギを重量物の位置のエネルギとして保持するようにしたことを特徴とするものである。
また請求項２の発明は、請求項１に記載の波浪エネルギの貯留装置において、前記巻上げ保持手段が、長尺体を巻上げるリールと、浮上構造体の上下動を、その上下動の方向に応じた回転方向として回転運動に変換するための変換手段と、その変換手段により得られた回転運動のうち、一方の回転方向の回転運動により前記巻上げリールを長尺体巻上げ方向に回転させるとともに、他方の回転方向の回転運動では巻上げリールを回転させないようにする回転伝達手段とを有してなることを特徴とするものである。
さらに請求項３の発明は、請求項２に記載の波浪エネルギの貯留装置において、前記変換手段が、浮上構造体に水平な軸線を中心として回転可能に取付けられた巻掛け用回転体と、その巻掛け用回転体に巻掛けられた長条物と、その長条物の一端に取付けられたアンカーと、そのアンカーよりも軽量でかつ長条物の他端に取付けられた重錘とからなり、前記アンカーが海底に投錨されるようにするとともに、投錨された際に重錘は海底面より上方に位置するようにチェーンの長さが設定されており、波浪による浮上構造体の上下動に伴なって重錘が上下動するとともに巻掛け用回転体が回転して、その巻掛け用回転体の回転のうち、一定方向の回転のみが巻上げリールに伝達されて長尺体を巻上げるように前記回転伝達手段が構成されていることを特徴とするものである。
また請求項４の発明は、請求項３に記載の波浪エネルギの貯留装置において、前記浮上構造体に水平な軸が設けられており、その軸の所定の箇所に前記巻掛け用回転体が同心状に回転可能に取付けられるとともに、その軸の他の箇所に前記巻上げリールが同心状に回転可能に取付けられており、前記回転伝達手段は、巻掛け用回転体が前記の一定方向に回転したときにはその回転を軸に伝達する一方、反対方向に巻掛け用回転体が回転したときには軸に対して巻掛け用回転体が自由回転し得るように、また軸が前記一定方向に回転したときに巻上げリールにその軸の回転を伝達する一方、巻上げリールが反対方向に回転するときには軸に対して巻上げリールが自由回転し得るように構成されていることを特徴とするものである。
そしてまた請求項５の発明は、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の波浪エネルギの貯留装置において、前記巻上げ保持手段が、その巻上げ保持手段により巻上げられた長尺体の巻上げ位置での保持を解除して、重量物の自重により長尺体を繰出して下降させるための解除機能を備えていることを特徴とするものである。
さらにまた請求項６の発明は、請求項５に記載の波浪エネルギの貯留装置を備えるとともに、その波浪エネルギの貯留装置の浮上構造体には発電機が設けられており、前記波浪エネルギの貯留装置における解除手段による解除時の長尺体の繰出し下降運動を回転運動として発電機の回転軸に伝達し、発電を行わせるように構成されていることを特徴とするものである。
この発明の波浪エネルギ貯留装置および発電装置によれば、波浪エネルギを空気エネルギや機械的エネルギなどとして捕捉・変換することなく、そのまま重量物の位置エネルギとして貯留するため、波浪エネルギの捕捉、貯留効率が極めて高く、また空気エネルギや機械的エネルギに変換するための装置も不要となり、そのため設備が従来よりも大幅に小型化、軽量化されると同時に設備コストも著しく低くなり、しかも波浪エネルギにより直ちに発電することなく、重量物の位置エネルギとして一旦貯留しておくため、その貯留しておいたエネルギを必要に応じて随時取出して発電を行なうことができ、そのため蓄電池等の電気エネルギを貯留しておくための大型・大重量かつ高コストの装置が不要となり、その点からも設備的に小型化・軽量化されるとともに、コストも大幅に低減される。そしてまた、上述のように小型化・軽量化されることから、特に海洋上の浮体に適用して有効である。

図１は、この発明の実施例の波浪エネルギ貯留装置および発電装置の原理的な構成を示す略解図である。
図２は、この発明の実施例の波浪エネルギ貯留装置および発電装置の全体構成を示す正面図である。
図３は、図２に示される装置の平面図である。
図４は、図２に示される装置の右側面図である。
図５は、図２のＡ−Ａ線矢視断面図である。
図６は、図２のＢ−Ｂ線矢視断面図である。
図７は、図２に示される装置のカラー部付近を拡大して示す斜視図である。

図１に、この発明の一実施例の波浪エネルギ貯留装置および発電装置の原理的な構成を示す。なお図１は、飽くまで説明のための原理的な構成を示しているに過ぎず、各部材や装置の具体的な配置や構造を限定するものではない。
図１において浮上構造体１は、全体としてその比重が海水よりも充分に小さくなるように任意の形状に作られたものであって、例えば外壁部分を耐海水腐食性の良好な金属や樹脂等によって作り、内部に空気や発泡樹脂等を密封した構造とされている。ここで、浮上構造体１は、後述するようにその内部や上面に取付けられる各種の装置やチェーン、重錘、重量物等を含め、装置全体として海面Ｆに浮くように充分な浮力を有すものとする。
浮上構造体１には、巻掛け用回転体、例えば鎖車７が水平な軸を中心として回転可能に取付けられている。この鎖車７には、長条物、例えばチェーン８が巻き掛けられている。チェーン８の一端は、アンカー（錨）９が取付けられ、他端にアンカー９よりも格段に軽い重錘１０が取付けられたものであり、アンカー９が海底Ｇに接地されるかまたは結合される一方、重錘１０は海底面Ｇよりも上方に位置するようにチェーン８の長さが定められている。
さらに浮上構造体１には、リール１１が水平な軸を中心として回転可能に配置されている。このリール１１には、ポリエステル繊維等の軽量かつ薄質で引張り強度に優れた可撓性を有する布もしくはシートあるいは紐体もしくはチェーン等からなる長尺体１４が巻付けられている。ここで、上記長尺体１４は、その一端がリール１１の巻胴もしくは鍔内面に固定され、他端側が海中に垂下されて、その先端にブロック状等の任意の形状の金属やコンクリート等からなる重量物１５が取付けられている。
さらに浮上構造体１には、発電機３２が固定されている。
ここで、前記リール１１は、波浪による海面の昇降に伴なう浮上構造体１の上下動のうち、いずれか一方の動きにより長尺体１４を浮上構造体１の側に巻上げて海中における重量物１５の位置を上昇させ、かつその巻上げ位置を保持するための巻上げ保持手段を構成している。
一方、巻上げ用回転体（鎖車）７、長条物（チェーン）８、アンカー９、重錘１０は、波浪による海面の昇降に伴なう浮上構造体１の上下動を、その上下動の方向に応じた回転方向として回転運動に変換するための変換手段を構成している。
そして巻上げ用回転体（鎖車）７とリール１１との結合関係（回転伝達手段）は、浮上構造体１の昇降に伴なう巻上げ用回転体７の２方向の回転運動のうち、一方の方向の回転運動（図１の例では反時計方向の回転運動）をリール１１に伝達して、そのリール１１を長尺体巻上げ方向（図１の例では反時計方向）に回転させるようになっているとともに、他方の方向（図１の例では時計方向）の巻上げ用回転体７の回転運動ではリール１１を回転させないようにされている。
さらにリール１１と発電機３２との関係は、リール１１の保持（回転阻止状態）が解放されて、リール１１が重量物１５を下降させる方向（図１の例では時計方向）に回転したときに、その回転が発電機３２の駆動軸に伝達されて、発電が生じるように定められている。
以上のような原理的な構成において、例えば水深１００ｍ程度の海域における海面の波浪によるエネルギを貯留し、さらにその貯留エネルギを取出して発電する場合の機能、作用を以下に説明する。
先ず波浪エネルギを貯留する過程について説明する。
浮上構造体１およびそれに固定的に取付けられた各種装置、部材は、浮力によって海面に浮いた状態が保たれ、アンカー９は海底Ｇに接地もしくは係合されて、浮上構造体１が潮流や風によって極端に移動することが防止される。この状態で、重錘１０は海面Ｆと海底Ｇとの中間の海中において吊下げられた状態となっており、この重錘１０によってチェーン８における重錘１０の側の部分は緊張状態が保持される。また長尺体１４および重量物１５は、海中に吊下げられた状態となっている。このような状態で、周期的に波浪が来れば、海面の上下動に伴って浮上構造体１が上下動を行なう（矢印Ａ１）。
波浪により海面が上昇するときには、それに伴なって浮上構造体１も上昇する。このとき、チェーン８は、そのアンカー９の側の部分の緊張により、鎖車７の回転中心位置を基準として浮上構造体１の上昇距離分だけ重錘１０の側からアンカー９の側へ送り込まれる（矢印Ａ２の上向き方向）とともに、鎖車７が図１の矢印ＡＡ３の反時計方向に回転し、この鎖車７の回転がリール１１に伝達されてそのリール１１が反時計方向（矢印Ａ４）に回転し、長尺体１４が巻上げられる。したがって海面の上昇時には、ほぼその上昇分に対応する長さだけ長尺体１４が巻上げられることになる。長尺体１４が巻上げられれば、その下端に取付けた重量物１５の位置も上昇し（矢印Ａ５）、したがって重量物１５の位置エネルギが増大したことになる。
次いで、波浪により海面が下降する時には、それに伴なって浮上構造体１も下降する。このとき、前述の上昇過程とは逆に、重錘１０の自重により、鎖車７を基準としてチェーン８がアンカー９の側から重錘１０の側に送り出されるとともに、鎖車７が図１の矢印Ａ３の時計方向に回転する。この方向への鎖車７の回転はリール１１に伝達されないように構成されており、したがってその前の上昇過程で巻き上げられた長尺体１４は、そのままの状態を保ち、重量物１５も浮上構造体１に対し相対的に同じ位置を保つ。これは、上昇過程で貯留された重量物１５の位置エネルギが、そのまま保存されたことになる。したがって波浪による上下動の過程で、海面の上昇時の位置エネルギが、重量物１５の位置エネルギとして保存（貯留）されたことになる。
以上のように、波浪により周期的に海面が上下動すれば、海面の上昇過程で過程で順次長尺体１４が巻上げられ、重量物１５の位置が上昇して、その位置エネルギが蓄積されていくのである。そして全ての長尺体１４が巻上げられて、全ての重量物１５がその最上昇端（浮上構造体１の近傍の位置）まで至れば、波浪エネルギの蓄積、貯留は終了する。
このようにして波浪エネルギを重量物１５の位置エネルギとして貯留した後、その位置エネルギを電気エネルギに変換する過程、すなわち貯留していた位置エネルギを放出してそれにより発電を行う過程について説明する。
この段階の初期状態では、長尺体１４はリール１１に巻上げられており、重量物１５は浮上構造体１の近傍に位置している。この初期状態から発電を開始するにあたっては、リール１１をフリーに回転し得る状態とする。これによって重量物１５がその自重によって下降を開始し、矢印Ｂ１に示すようにリール１１が反時計方向に回転して重量物１５を先端に取付けた長尺体１４がリール１１から繰出される（矢印Ｂ２）。このときのリール１１の回転が発電機３２の回転軸に伝達されて、発電機３２が発電することになる。
このようにして、重量物１５の下降、すなわち位置エネルギの放出に伴なって、発電が行われる。
図２〜図７には、この発明の一実施例のより具体化した波浪エネルギ貯留装置および発電装置の構成を示す。
図２〜図７において浮上構造体１は、全体としてその比重が海水よりも充分に小さくなるように任意の形状に作られたものであって、例えば外壁部分を耐海水腐食性の良好な金属や樹脂等によって作り、内部に空気や発泡樹脂等を密封した構造とされ、図示の例では直方体形状に作られている。ここで、浮上構造体１は、後述するような上面に取付けられる各種の装置やチェーン、重錘、重量物等を含め、装置全体として海面Ｆに浮くように充分な浮力を有すものとする。
浮上構造体１の長さ方向両端には、上方へ突出する側壁２Ａ、２Ｂが取付けられており、その側壁２Ａ、２Ｂには、軸受３Ａ、３Ｂにより水平な平行一対の軸４、５がそれぞれ回転自在に掛け渡されている。これらの軸４、５のうち、軸４の両端部４Ａ、４Ｂは側壁２Ａ、２Ｂの外側に突出しており、その外側突出部（両端部）４Ａ、４Ｂには、ローラクラッチ６Ａ、６Ｂを介して、巻掛け用回転体、例えば鎖車７Ａ、７Ｂが取付けられている。これらの鎖車７Ａ、７Ｂには、それぞれ長条物、例えばチェーン８Ａ、８Ｂが巻き掛けられている。チェーン８Ａ、８Ｂは、それぞれ一端にアンカー（錨）９Ａ、９Ｂが取付けられ、他端にアンカー９Ａ、９Ｂよりも格段に軽い重錘１０Ａ、１０Ｂが取付けられたものであり、アンカー９Ａ、９Ｂが海底に接地されるかまたは結合される一方、重錘１０Ａ、１０Ｂは海底面Ｇよりも上方に位置するようにチェーン８Ａ、８Ｂの長さが定められている。
ローラクラッチ６Ａ、６Ｂは、鎖車７Ａ、７Ｂが特定の方向に回転したときにその回転を軸４Ａに伝達するとともに、反対方向に鎖車７Ａ、７Ｂが回転したときにはその回転を軸４Ａに伝達せずに、鎖車７Ａ、７Ｂを自由回転させるためのものであり、チェーン８Ａ、８Ｂの長さ方向で見て、重錘１０Ａ、１０Ｂから鎖車７Ａ、７Ｂに巻き掛けられてアンカー９Ａ、９Ｂに向う方向（図４の矢印Ｐ方向）に鎖車７Ａ、７Ｂが回転したときにその回転を軸４Ａに伝達し、逆方向に鎖車７Ａ、７Ｂが回転したときには鎖車７Ａ、７Ｂが自由回転するようにクラッチの方向性が定められている。
さらに軸４の中間（側壁２Ａ、２Ｂの間の部分）には、複数のリール（図示の例では５箇のリール）１１ａ〜１１ｅがほぼ等間隔で配置されている。各リール１１ａ〜１１ｅの一方の側面側にはそれぞれスプロケット１２が固定され、他方の側面側にはそれぞれラチェット１３が固定されている。１１ａ〜１１ｅには、ポリエステル繊維等の軽量かつ薄質で引張り強度に優れた可撓性を有する布もしくはシートあるいは紐体もしくはチェーン等からなる長尺体１４（図示の例では長尺シート状のもの）が巻付けられている。ここで、上記長尺体１４は、その一端がそれぞれリール１１ａ〜１１ｅの巻胴もしくは鍔内面に固定され、他端側が海中に垂下されて、その先端にブロック状等の任意の形状の金属やコンクリート等からなる重量物１５が取付けられている。
ここで、前述の各リール１１ａ〜１１ｅと、それぞれに取付けられたスプロケット１２およびラチェット１３を、それぞれ全体として回転結合体１６ａ〜１６ｅと指称すれば、結合体１６ａ〜１６ｅは、それぞれ軸４に対してその軸中心に回転可能となるように、軸４の外周上に設けられた軸受１７により支持されている（図５参照）。
さらに一端側の回転結合体１６ａと一方の側壁２Ａとの間および各回転結合体１６ａ〜１６ｅの相互間には、軸４の外周上に回転可能に円筒状のカラー１８ａ〜１８ｅが設けられている。
カラー１８ａ〜１８ｅの付近の詳細を図７に拡大して示す。
各カラー１８ａ〜１８ｅの中央部の外周上にはフランジ１９が形成され、またその一端側には、軸方向に沿って伸びる長孔状のガイド切欠部２０が形成され、さらに他端側に外周上に突出する棒状の突起部２１が形成されている。一方、軸４の外周上における前記カラー１８ａ〜１８ｅのガイド切欠部２０に対応する各位置には、そのガイド切欠部２０内に挿入されるピン２２が突設されており、また前記各回転結合体１６ａ〜１６ｅにおけるラチェット１３の側面には、前記各カラー１８ａ〜１８ｅの突起部２１に係合し得る小軸２３が突設されている。
一方、浮上構造体１の上面側には、各カラー１８ａ〜１８ｅのフランジ１９の下側の一部をその両側から跨ぐように先端が２股状に作られたアーム２４が配置されており、各アーム２４は、それぞれ浮上構造体１の上面に取付けたソレノイド２５によって軸４の軸線方向と平行な方向に沿って進退されるようになっている。ここで、各アーム２４は、各カラー１８ａ〜１８ｅの回転を妨げることなくそのフランジ１９に係合するように構成されている。そして各アーム２４をソレノイド２５によって進退させることによって、カラー１８ａ〜１８ｅを軸４に沿って直線移動（したがってラチェット１３に近接・離隔する方向へ移動；図７の矢印Ｑ方向）させることが可能となる。ここで、カラー１８ａ〜１８ｅを進出させた状態（図７に示すようにカラー１８ａ〜１８ｅをラチェット１３に接近させた状態）では、カラー１８ａ〜１８ｅの外周面の突起部２１がラチェット１３の側面の小軸２３に係合し得る状態となり、一方カラー１８ａ〜１８ｅを後退（図７の左方に移動させてカラー１８ａ〜１８ｅをラチェット１３から離隔させた状態）では、上記の突起部２１が小軸２３に係合し得ない状態となるように定められている。
さらに浮上構造体１の上面には、各回転結合体１６ａ〜１６ｅのラチェット１３に対応する位置に、図５に詳細に示すように、各ラチェット１３に係合してその回転可能方向を規制するためのラチェット爪２６と、そのラチェット爪２６を作動させるための電磁石２７とが設けられている。ここでラチェット１３およびラチェット爪２６の方向性は、これらが係合した状態では、ラチェット１３を含む回転結合体１６ａ〜１６ｅが矢印Ｐ方向（すなわち長尺体１４を巻上げる方向）へ回転する際には回転結合体１６ａ〜１６ｅの回転を妨げない一方、逆方向への回転結合体１６ａ〜１６ｅの回転は阻止するように定められている。もちろんこれらのラチェット１３、ラチェット爪２６の係合が外れた状態では、回転結合体１６ａ〜１６ｅはいずれの方向へも回転可能な状態となる。
一方浮上構造体１の上面側に、軸４と平行に設けられた軸５には、それぞれ各回転結合体１６ａ〜１６ｅのスプロケット１２に対応する位置に、ローラクラッチ２８（図５参照）を介してスプロケット２９が設けられており、これらの各スプロケット２９と、軸４の側の対応する各回転結合体１６ａ〜１６ｅのスプロケット１２との間には、無端環状のチェーン３０が巻き掛けられている。
さらに軸５の一端側は、側壁２Ｂの外面側に突出しており（図３参照）、この突出部分には、スプロケット３１が固定されている。一方、その近傍の側壁２Ｂの内側の位置には、浮上構造体１の上面に発電機３２が固定されており、その発電機３２の回転軸３３が側壁２Ｂの外側に突出して、その突出部分にスプロケット３４が固定されており、スプロケット３４とスプロケット３１との間に無端環状のローラチェーン３５が巻き掛けられている。
以上の実施例において、例えば水深１００ｍ程度の海域における海面の波浪によるエネルギを貯留し、さらにその貯留エネルギを取出して発電する場合の機能、作用を以下に説明する。
ここでは、先ず波浪エネルギを貯留する過程について説明する。
浮上構造体１およびそれに固定的に取付けられた各種装置、部材は、浮力によって海面に浮いた状態が保たれ、アンカー９Ａ、９Ｂは海底Ｇに接地もしくは係合されて、浮上構造体１が潮流や風によって極端に移動することが防止される。この状態で、重錘１０Ａ、１０Ｂは海面Ｆと海底Ｇとの中間において吊下げられた状態となっており、この重錘１０Ａ、１０Ｂによってチェーン８Ａ、８Ｂにおける重錘１０Ａ、１０Ｂの側の部分は緊張状態が保持される。また長尺体１４および重量物１５は、海中に吊下げられた状態となっている。このような状態で、周期的に波浪が来れば、海面の上下動に伴って浮上構造体１が上下動を行なう。ここで、初期状態ではカラー１８ａ〜１８ｅは、回転結合体１６ａ〜１６ｅのラチェット１３に近接した位置にある状態、すなわちカラー外周面の突起部２１がラチェット側面の小軸２３に係合し得る状態（図７に示す状態）となっていて、カラー１８ａ〜１８ｅの回転が回転結合体１６ａ〜１６ｅに伝達され得る状態となっているものとする。なお各ラチェット爪２６は、それぞれ対応するラチェット１３に係合されている状態としておく。
波浪により海面が上昇するときには、それに伴なって浮上構造体１も上昇する。このとき、チェーン８Ａ、Ｂは、そのアンカー９Ａ、９Ｂ側の部分の緊張により、鎖車７Ａ、７Ｂの回転中心位置を基準として浮上構造体１の上昇距離分だけ重錘１０Ａ、１０Ｂの側からアンカー９Ａ、９Ｂの側へ送り込まれるとともに、鎖車７Ａ、７Ｂが矢印Ｐ方向に回転し、この鎖車７Ａ、７Ｂの回転がローラクラッチ６Ａ、６Ｂを介して軸４に伝達されて、軸４が同方向に回転する。そして軸４上の各ピン２２と、対応するカラー１８ａ〜１８ｅのガイド切欠部２０との係合により、軸４の回転に伴ってカラー１８ａ〜１８ｅが同方向へ回転する。そしてカラー１８ａ〜１８ｅの各突起部２１が、各回転結合体１６ａ〜１６ｅのラチェット１３から突出する小軸２３に当接して、カラー１８ａ〜１８ｅの回転が回転結合体１６ａ〜１６ｅに伝達され、回転結合体１６ａ〜１６ｅ中のリール１１ａ〜１１ｅによって長尺体１４が巻上げられる。したがって海面の上昇時には、ほぼその上昇分に対応する長さだけ長尺体１４が巻上げられることになる。長尺体１４が巻上げられれば、その下端に取付けた重量物１５の位置も上昇し、したがって重量物１５の位置エネルギが増大したことになる。
次いで、波浪により海面が下降する時には、それに伴なって浮上構造体１も下降する。このとき、前述の上昇過程とは逆に、重錘１０Ａ、１０Ｂの自重により、鎖車７Ａ、７Ｂを基準としてチェーン８Ａ、８Ｂがアンカー９Ａ、９Ｂの側から重錘１０Ａ、１０Ｂの側に送り出されるとともに、鎖車７Ａ、７Ｂが矢印Ｐ方向とは反対の方向に回転する。ここで、ローラクラッチ６Ａ、６Ｂは、その方向への鎖車７Ａ、７Ｂの回転は軸４に伝達しないように構成されているため、鎖車７Ａ、７Ｂが回転しても軸４は回転せず、ひいてはカラー１８ａ〜１８ｅ、回転結合体１６ａ〜１６ｅも回転しない。したがってその前の上昇過程で巻き上げられた長尺体１４は、そのままの状態を保ち、重量物１５も浮上構造体１に対し相対的に同じ位置を保つ。これは、上昇過程で貯留された重量物１５の位置エネルギが、そのまま保存されたことになる。したがって波浪による上下動の過程で、海面の上昇時の位置エネルギが、重量物１５の位置エネルギとして保存（貯留）されたことになる。
以上のように、波浪により周期的に海面が上下動すれば、海面の上昇過程で過程で順次長尺体１４が巻上げられ、重量物１５の位置エネルギが蓄積されていくのである。そして全ての長尺体１４が巻上げられて、全ての重量物１５がその最上昇端（浮上構造体１の近傍の位置）まで至れば、波浪エネルギの蓄積、貯留は終了する。
このようにして波浪エネルギを重量物１５の位置エネルギとして貯留した後、その位置エネルギを電気エネルギに変換する過程、すなわち貯留していた位置エネルギを放出してそれにより発電を行う過程について説明する。
この段階の初期状態では、全リール１１ａ〜１１ｅの長尺体１４は巻上げられており、重量物１５は浮上構造体１の近傍に位置している。またこの初期状態では、予め全ての回転結合体１６ａ〜１６ｅのラチェット１３に、それぞれラチェット爪２６が引掛かって、回転結合体１６ａ〜１６ｅが、矢印Ｐ方向（すなわち長尺体巻上げ時の回転方向）とは反対の方向には回転しないように、電磁石２７によってラチェット爪２６を作動させておく。これは、ラチェット爪２６とラチェット１３との結合が解除されない限りは、ラチェット１３およびリール１１ａ〜１１ｅを含む各回転結合体１６ａ〜１６ｅが、長尺体繰出し方向（重量物降下方向）には回転しないように阻止しておくことを意味する。
上述のような初期状態から発電を開始するにあたっては、いずれか一つの系列のソレノイド２５、たとえば図２、図３における最も左側の回転結合体１６ａに対応するソレノイド２５を作動させて、その系列のカラー１８ａを後退位置（ラチェット１３から離隔した位置）に位置させ、カラー１８ａの突起部２１が、ラチェット爪１３の側面の小軸２３から離れた状態（両者が係合され得ない状態）に保持しておく。したがってカラー１８ａと、ラチェット１３およびリール１１ａを含む回転結合体１６ａとは相互にフリーな状態となっており、カラー１８ａが回転してもラチェット１３およびリール１１ａを含む回転結合体１６ａは回転しない状態となっている。換言すれば、波浪による海面上昇により浮上構造体１が上昇して、軸４、カラー１８ａが回転しても、その回転はリール１１ａを含む各回転結合体１６ａに伝達されないことを意味する。さらに、その系列の回転結合体１６ａに対応する電磁石２７を作動させて、その系列のラチェット爪２６をラチェット１３から外す。これによりリール１１ａを含む回転結合体１６ａは自由回転し得る状態となり、その系列の重量物１５がその自重によって下降を開始し、リール１１ａを含む回転結合体１６ａが回転して重量物１５を先端に取付けた長尺体１４がリール１１ａから繰出される。このときの回転結合体１６ａの回転は、スプロケット１２、チェーン３０、スプロケット２９、ローラクラッチ２８を介して軸５に伝達され、軸５が回転せしめられ、さらにその軸５の回転が、軸５からスプロケット３１、ローラチェーン３５、スプロケット３４を介して発電機３２の回転軸３３に伝達されて、発電機３２が発電することになる。なお回転軸５とスプロケット２９との間にはローラクラッチ２８が介挿されており、回転結合体１６ａの回転により対応するスプロケット２９が回転して、軸５が回転したときも、その回転が他の回転結合体１６ｂ〜１６ｅに伝達されることはない。したがって回転結合体１６ａの回転が他の回転結合体１６ｂ〜１６ｅに影響を及ぼすことはない。
以上のようにして、回転結合体１６ａの系列の重量物１５の下降、すなわち重量物１５の下降による位置エネルギの放出に伴なって、発電が行われる。
そして上述のようにして第１番目の回転結合体１６ａの系列の重量物１５が所定の深さに達したときには、その重量物１５の沈下を停止させるため、その第１番目の系列の電磁石２７を作動させてその系列のラチェット１３をラチェット爪２６に係合させるとともに、同系列のソレノイド２５を作動させて、アーム２４によりカラー１８ａを回転結合体１６ａのラチェット１３に近接する方向へ前進させ、カラー１８ａの突起部２１がラチェット１３の小軸２３に係合し得る状態とする。これにより第１番目の系列の重量物１５は、下降が停止されるとともに、その後に浮上構造体１の上昇に伴なう重量物１５の巻上げが可能な状態となる。
そして上述のような第１番目の系列の電磁石２７およびソレノイド２５の作動と同時もしくは若干それよりも早いタイミングで、第２番目の回転結合体１６ｂの系列の電磁石２７によりその系列のラチェット爪２６をラチェット１３から外す。これによって第２番目のリール１１ｂを含む回転結合体１６ｂが自由回転し得る状態となり、既に述べたと同様にして、その回転結合体１６ｂのリール１１ｂから長尺体１４により吊下げられている第２番目の系列の重量物１５の下降が開始されるとともに、リール１１ｂを含む第２番目の系列の回転結合体１６ｂが回転し、さらにその回転が軸５から発電機３２の回転軸３３に伝達されて、発電が行なわれる。
以上のような過程を重ねることによって、順次各系列の重量物１５が沈下されるとともに、連続的な発電が行なわれることになる。
以上のところにおいては、５系列の重量物１５を波浪による海面の上昇によって同時的に巻上げて、全ての系列の重量物１５がその最上昇端に至っている状態から、順次各系列の重量物１５を下降させるものとして説明したが、実際には、各系列の重量物の巻上げ開始のタイミングをずらして、一つの系列の重量物の下降により発電を行なっている間に、残りの他の系列の重量物の巻上げ（位置エネルギの貯留）を行なうことが望ましく、このようにすれば、途切れることなく常時連続発電が可能となる。
ここで、発電時の重量物の下降速度（沈下速度）は、海水の抵抗を受ける重量物の形状や、発電機の回生電流によるブレーキ作用等によって調整可能であり、また複数個の重量物の下降速度を等速に近付けることも可能である。
いま、１個の重量物１５の重量を１０００ｋｇ、沈下速度を１ｍ／ｓｅｃに調整したとすれば、重量物１個あたりの発電出力は、理論的には、
１０００ｋｇ×１ｍ／ｓｅｃ／１０２＝１０ｋｗ
となる。
一方、１回の波による海面の上昇量（重錘１０Ａ、１０Ｂの上昇量に等しい）と、重量物１５の巻上げ量（上昇量）とが同じであるとし、日本近海での平均の有義波高を２ｍ、有義波周期を８秒とすれば、一つの波によって重量物１５は２ｍ上昇し、８秒後に来る次の波によって再び２ｍ上昇するから、平均すれば１秒間に０．２５ｍ上昇することになる。すなわち、平均沈下速度（１ｍ／ｓｅｃ）の１／４の平均上昇速度となるから、４系列の重量物を設けておいて、その上昇、降下のタイミングを１／４ずつずらせておけば、トータル的に見て沈下速度と上昇速度とをバランスさせ、完全連続発電が可能となるのである。但し、実際は若干の余裕を見ることが望ましく、そこで実施例では５系列の重量物を設けているのであり、これらを順次上昇、下降させることにより２４時間連続発電が可能となる。
なお前述の例では、長条物としてチェーン８Ａ、８Ｂを用い、これを巻掛ける巻掛け用回転体として鎖車７Ａ、７Ｂを用いているが、これらは、ローラチェーンとスプロケットの組合せ、あるいはタイミングプーリーとベルト、フランジ付きプーリーとロープとの組合せなどでも良いことはもちろんである。
また、請求項１で規定する巻上げ保持手段や、請求項２で規定する変換手段、回転伝達手段、さらには請求項５で規定する解除手段の具体的構成についても、これらの請求項で規定する条件を外れない限りは、実施例の構成に限られないことはもちろんである。

以上のように、この発明の波浪エネルギ貯留装置および発電装置は、これを海洋上に設置しておけば、貯留する装置として、またその波浪エネルギを用いて発電する装置として、有用である。

Claims (6)

1. 海面に浮く浮上構造体と；
   その浮上構造体から海中に垂下され、かつ下端に重量物が取付けられた可撓性を有する長尺体と；
   波浪による海面の昇降に伴なう浮上構造体の上下動のうち、いずれか一方向の動きにより前記長尺体を浮上構造体側に巻上げて重量物の位置を上昇させ、かつその巻上げ上昇位置を保持するための巻上げ保持手段と；
   を有してなり、波浪エネルギを重量物の位置のエネルギとして保持するようにしたことを特徴とする、波浪エネルギの貯留装置。
2. 請求項１に記載の波浪エネルギの貯留装置において、
   前記巻上げ保持手段が、長尺体を巻上げるリールと、浮上構造体の上下動を、その上下動の方向に応じた回転方向として回転運動に変換するための変換手段と、その変換手段により得られた回転運動のうち、一方の回転方向の回転運動により前記巻上げリールを長尺体巻上げ方向に回転させるとともに、他方の回転方向の回転運動では巻上げリールを回転させないようにする回転伝達手段とを有してなることを特徴とする、波浪エネルギの貯留装置。
3. 請求項２に記載の波浪エネルギの貯留装置において、
   前記変換手段が、浮上構造体に水平な軸線を中心として回転可能に取付けられた巻掛け用回転体と、その巻掛け用回転体に巻掛けられた長条物と、その長条物の一端に取付けられたアンカーと、そのアンカーよりも軽量でかつ長条物の他端に取付けられた重錘とからなり、
   前記アンカーが海底に投錨されるようにするとともに、投錨された際に重錘は海底面より上方に位置するようにチェーンの長さが設定されており、波浪による浮上構造体の上下動に伴なって重錘が上下動するとともに巻掛け用回転体が回転して、その巻掛け用回転体の回転のうち、一定方向の回転のみが巻上げリールに伝達されて長尺体を巻上げるように前記回転伝達手段が構成されていることを特徴とする、波浪エネルギの貯留装置。請求項２に記載の波浪エネルギの貯留装置において、
   前記変換手段が、浮上構造体に水平な軸線を中心として回転可能に取付けられた巻掛け用回転体と、その巻掛け用回転体に巻掛けられた長条物と、その長条物の一端に取付けられたアンカーと、そのアンカーよりも軽量でかつ長条物の他端に取付けられた重錘とからなり、
   前記アンカーが海底に投錨されるようにするとともに、投錨された際に重錘は海底面より上方に位置するようにチェーンの長さが設定されており、波浪による浮上構造体の上下動に伴なって重錘が上下動するとともに巻掛け用回転体が回転して、その巻掛け用回転体の回転のうち、一定方向の回転のみが巻上げリールに伝達されて長尺体を巻上げるように前記回転伝達手段が構成されていることを特徴とする、波浪エネルギの貯留装置。
4. 請求項３に記載の波浪エネルギの貯留装置において、
   前記浮上構造体に水平な軸が設けられており、その軸の所定の箇所に前記巻掛け用回転体が同心状に回転可能に取付けられるとともに、その軸の他の箇所に前記巻上げリールが同心状に回転可能に取付けられており、前記回転伝達手段は、巻掛け用回転体が前記の一定方向に回転したときにはその回転を軸に伝達する一方、反対方向に巻掛け用回転体が回転したときには軸に対して巻掛け用回転体が自由回転し得るように、また軸が前記一定方向に回転したときに巻上げリールにその軸の回転を伝達する一方、巻上げリールが反対方向に回転するときには軸に対して巻上げリールが自由回転し得るように構成されていることを特徴とする、波浪エネルギの貯留装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の波浪エネルギの貯留装置において、
   前記巻上げ保持手段が、その巻上げ保持手段により巻上げられた長尺体の巻上げ位置での保持を解除して、重量物の自重により長尺体を繰出して下降させるための解除機能を備えていることを特徴とする、波浪エネルギの貯留装置。
6. 請求項５に記載の波浪エネルギの貯留装置を備えるとともに、その波浪エネルギの貯留装置の浮上構造体には発電機が設けられており、
   前記波浪エネルギの貯留装置における解除手段による解除時の長尺体の繰出し下降運動を回転運動として発電機の回転軸に伝達し、発電を行わせるように構成されていることを特徴とする、波浪エネルギの貯留装置を用いた発電装置。

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